ЭДС электрического тока
Как вы помните из прошлых статей, молекулы воды — это «электроны». Для возникновения электрического тока, электроны должны двигаться в одном направлении. Но чтобы они двигались в одном направлении, должно быть напряжение и какая-нибудь нагрузка. То есть вода в башне — это напряжение, а люди, которые тратят воду для своих нужд — это нагрузка, так как они создают поток воды из трубы, которая находится у подножия водобашни. А поток — это не что иное, как сила тока.
Также должно соблюдаться условие, что вода должна всегда быть на максимальной отметке, независимо от того, сколько людей тратит ее для своих нужд одновременно, иначе башня опустошится. Для водобашни этим спасительным средством является водонасос. А для электрического тока?
Для электрического тока должна быть какая-то сила, которая бы толкала электроны в одном направлении в течение продолжительного времени. То есть эта сила должна двигать электроны! Электродвижущая сила! Да, именно так! ЭЛЕКТРОДВИЖУЩАЯ СИЛА! Можно назвать ее сокращенно ЭДС — Электро Движущая Сила. Измеряется она в вольтах, как и напряжение, и обозначается в основном буквой E.
Значит, в наших батарейках тоже есть такой «насос»? Есть, и правильней было бы его назвать «насос подачи электронов»). Но, конечно, так никто не говорит. Говорят просто — ЭДС. Интересно, а где спрятан этот насос в батарейке? Это просто-напросто электрохимическая реакция, из-за которой держится «уровень воды» в батарейке, но потом все-таки этот насос изнашивается и напряжение в батарейке начинает проседать, потому как «насос» не успевает качать воду. В конце концов он полностью ломается и напряжение на батарейке стает практически ноль.
Что такое электродвижущая сила — определение, физический смысл
Определение
Электродвижущая сила (ЭДС) — физическая величина, описывающая работу любых сил, которые действуют в квазистационарных цепях постоянного или переменного тока, за исключением диссипативных и электростатических сил.
Для определения силы тока Георг Симон Ом использовал принцип крутильных весов Кулона. На длинной тонкой нити подвешено горизонтальное коромысло с заряженным шариком на конце. Второй заряд закреплен на cпицe, пропущенной сквозь крышку весов. При их взаимодействии коромысло поворачивается. Вращение головки в верхней части весов закручивало нить, возвращая коромысло в исходное состояние. По углу закручивания можно рассчитать силу взаимодействия зарядов в зависимости от расстояния между ними.
Ом по величине угла закрутки судил о силе тока I в проводнике, т. е. количестве электричества, перенесенном через поперечное сечение проводника за единицу времени. В качестве основной характеристики источника тока Ом брал величину напряжения \varepsilon на электродах гальванического элемента при разомкнутой цепи. Эту величину \(\varepsilon\) он назвал электродвижущей силой, сокращенно ЭДС.
Осторожно! Если преподаватель обнаружит плагиат в работе, не избежать крупных проблем (вплоть до отчисления). Если нет возможности написать самому, закажите тут
В чем измеряется в системе СИ, как обозначается на схеме
Электродвижущая сила в системе СИ измеряется в вольтах.
На схеме обозначение источника тока с ЭДС — две линии с плюсом и минусом, иногда круг.
Направление вектора МИ
Направление магнитных полей может быть указано магнитной стрелкой, помещенной в эти поля. Он будет крутиться до упора. Северный конец стрелки покажет, куда ориентировано B → орт того или иного поля.
Линии магнитной индукции
Точно так же ведет себя кадр с текущим, имея возможность перемещаться в МП без помех. Направленность вектора индукции указывает на ориентацию нормали к такой замкнутой электромагнитной цепи.
Внимание! Здесь используется правило буравчика (правый винт). Если винт вращается так же, как ток направлен в рамку, то поступательное продвижение винта совпадает с направлением положительной нормали
В некоторых случаях для поиска направления применяется правило правой руки.
Наглядное отображение линий МИ
Линия, к которой можно провести касательную, совпадающую с точкой B →, называется линией магнитной индукции (МИ). С помощью таких линий можно визуально визуализировать магнитное поле. Это замкнутые контуры, перекрывающие токи. Их плотность всегда пропорциональна значению B → в определенной точке МП.
Информация. Что касается МП прямого движения заряженных частиц, то эти линии представлены в виде концентрических окружностей. Их центр расположен на прямой линии с течением и в плоскостях, расположенных под прямым углом к нему.
Направление магнитных линий также можно определить с помощью правила подвеса.
Основные формулы раздела «Электромагнитная индукция»
Алгоритм решения задач по теме «Электромагнитная индукция»:
1. Внимательно прочитать условие задачи. Установить причины изменения магнитного потока, пронизывающего контур.
2. Записать формулу:
- закона электромагнитной индукции;
- ЭДС индукции в движущемся проводнике, если в задаче рассматривается поступательно движущийся проводник; если в задаче рассматривается электрическая цепь, содержащая источник тока, и возникающая на одном из участков ЭДС индукции, вызванная движением проводника в магнитном поле, то сначала нужно определить величину и направление ЭДС индукции. После этого задача решается по аналогии с задачами на расчет цепи постоянного тока с несколькими источниками.
3. Записать выражение для изменения магнитного потока и подставить в формулу закона электромагнитной индукции.
4. Записать математически все дополнительные условия (чаще всего это формулы закона Ома для полной цепи, силы Ампера или силы Лоренца, формулы кинематики и динамики).
5. Решить полученную систему уравнений относительно искомой величины.
Причиной электродвижущей силы может стать изменение магнитного поля в окружающем пространстве. Это явление называетсяэлектромагнитной индукцией. Величина ЭДС индукции в контуре определяется выражением
где — поток магнитного поля через замкнутую поверхность , ограниченную контуром. Знак «−» перед выражением показывает, что индукционный ток, созданный ЭДС индукции, препятствует изменению магнитного потока в контуре (см. правило Ленца).
41. Индуктивность, ее единица СИ. Индуктивность длинного соленоида.
Индукти́вность (или коэффициент самоиндукции) — коэффициент пропорциональности между электрическим током, текущим в каком-либо замкнутом контуре, и магнитным потоком, создаваемым этим током через поверхность , краем которой является этот контур. .
— магнитный поток, — ток в контуре, — индуктивность.
Нередко говорят об индуктивности прямого длинного провода(см.). В этом случае и других (особенно – в не отвечающих квазистационарному приближению) случаях, когда замкнутый контур непросто адекватно и однозначно указать, приведенное выше определение требует особых уточнений; отчасти полезным для этого оказывается подход (упоминаемый ниже), связывающий индуктивность с энергией магнитного поля.
Через индуктивность выражается ЭДС самоиндукции в контуре, возникающая при изменении в нём тока :
.
Из этой формулы следует, что индуктивность численно равна ЭДС самоиндукции, возникающей в контуре при изменении силы тока на 1 А за 1 с.
При заданной силе тока индуктивность определяет энергию магнитного поля, создаваемого этим током :
.
Реальный источник ЭДС
Источник электрической энергии — это источник ЭДС с внутренним сопротивлением Rвн. Это могут быть какие-либо химические элементы питания, наподобие батареек и аккумуляторов
Их внутреннее строение с точки зрения ЭДС выглядит примерно вот так:
Где E — это ЭДС, а Rвн — это внутреннее сопротивление батарейки
Итак, какие выводы можно сделать из этого?
Если к батарейке не цепляется никакая нагрузка, типа лампы накаливания и тд, то в результате сила тока в такой цепи будет равняться нулю. Упрощенная схема будет такой:
Но если мы все-таки присоединим к нашей батарейке лампочку накаливания, то у нас цепь станет замкнутой и в цепи будет течь ток:
В результате у нас в цепи побежит электрический ток, а на внутреннем сопротивлении упадет какое-то напряжение, так как в результате у нас получился делитель напряжения, так как нить лампы накаливания также имеет какое-то свое сопротивление. По закону Ома, чем больше сила тока в цепи, тем больше будет падение напряжения на внутреннем сопротивлении Rвн. Более подробно об этом эффекте можно прочитать в статье закон Ома для полной цепи, а также про входное и выходное сопротивление.
Если начертить график зависимости силы в цепи тока от напряжения на батарейке, то он будет выглядеть вот так:
Какой напрашивается вывод? Для того, чтобы замерить ЭДС батарейки, нам достаточно просто взять хороший мультиметр с высоким входным сопротивлением и замерять напряжение на клеммах батарейки.
То есть мы увидим, чем больше сила тока в цепи, то тем меньше напряжение на клеммах батарейки. Об этом более подробно я говорил в статье закон Ома для полной цепи.
Соленоид
Соленоид отличается от обычной катушки по двум признакам:
- Длина обмотки превышает диаметр в несколько раз;
- Толщина обмотки меньше диаметра катушки также в несколько раз.
Соленоидальный тип катушки
Параметры соленоида можно узнать из такого выражения:
L=µ0N2S/l,
где:
- µ0 – магнитная постоянная;
- N – количество витков;
- S – площадь поперечного сечения обмотки;
- l – длина обмотки.
Важно! Приведенное выражение справедливо для соленоида без сердечника. В противном случае необходимо дополнительно внести множитель µ, который равен магнитной проницаемости сердечника
Чем большую магнитную проницаемость будет иметь сердечник, тем больше увеличится итоговое значение.
Что такое ЭДС самоидукции? Индуктивность
Как известно вокруг проводника с током существует магнитное поле. Так как индукция магнитного поля пропорциональна силе тока протекающего через проводник, а магнитный поток пропорционален магнитной индукции, следовательно, магнитный поток пропорционален силе тока, протекающей через проводник.
Таким образом, при изменении силы тока происходит изменение магнитного потока (или потокосцепления). Однако в соответствие с законом электромагнитной индукции, изменение потокосцепления приводит к возникновению в проводнике ЭДС индукции.
Данное явление (возникновение ЭДС) в проводнике при изменении проходящего по нему тока называется самоиндукцией. Возникающая вследствие самоиндукции ЭДС называется ЭДС самоиндукции ЕL, которая равна
где dΨL – изменение потокосцепления.
Следовательно между электрическим током в проводнике и потокосцеплением, возникающего вокруг проводника магнитного поля существует некоторый коэффициент пропорциональности связывающий их. Таким коэффициентом является индуктивность – обозначается L (имеет старое название коэффициент самоиндукции)
Величина индуктивности характеризует способность электрической цепи создавать потокосцепление (магнитный поток) при протекании по ней электрического тока. Единицей индуктивности является Генри (обозначается Гн)
Таким образом, индуктивность зависит от геометрических размеров проводника с током и от магнитных свойств магнитной цепи, через которую замыкается магнитный поток, создаваемый проводником с током.
В следующей статье я расскажу, как рассчитать индуктивность различных по форме проводников с током.
По какой формуле определяется электродвижущая сила
В первых опытах Ом подключал к источнику тока проводники из разных материалов — серебра, меди, золота, — но одинакового сечения. Изменяя их длину l, Ом добивался, чтобы получалась одна и та же сила тока I. Обобщив результаты измерений, он вывел отношение:
\(I\;=\;\frac\varepsilon{R_i\;+\;R(l)}\)
Здесь \(R_i\) — некоторая постоянная, характеризующая внутреннее сопротивление гальванического элемента, а \(R(l)\) — величина, названная Омом сопротивлением проводника; она оказалась пропорциональна его длине, т. е. \(\;R(l)\;\sim\;l.\)
Из этой формулы следует, что найти электродвижущую силу можно, перемножив силу тока и полное сопротивление всей цепи:
\(\varepsilon\;=\;I\;\times\;R_i\;+\;I\;\times\;R(l)\)
Разность потенциалов на концах участка цепи равна падению напряжения на нем. Если в цепь включен источник тока, то ЭДС прибавляется к величине разности потенциалов или вычитается из нее в зависимости от полярности подключения. Когда на участке АВ имеется источник тока с ЭДС \(\varepsilon\), разность потенциалов изменяется на величину \(\triangle U\;=\;\pm\;\varepsilon.\)
Знак выбирается в зависимости от полярности включения источника: по току или против него. Закон Ома в этом случае принимает вид:
\(\varphi_А\;-\;\varphi_В\;\pm\;\varepsilon\;=\;IR\)
При последовательном соединении источников полная электродвижущая сила цепи будет равняться сумме ЭДС отдельных источников. При параллельном соединении только источник с самой большой ЭДС будет источником, остальные окажутся потребителями.
Чему равен магнитный поток, как найти
Магнитный поток в случае однородного магнитного поля равен произведению модуля индукции В этого поля, площади S плоской поверхности, через которую вычисляется поток, и косинуса угла \(\varphi\) между направлением индукции В и нормали к данной поверхности.
Нормаль — перпендикуляр к плоскости контура.
Также поток можно вычислить через индуктивность, которая пропорциональна отношению полного, или суммарного потока к силе тока.
Обозначение суммарного потока — буква \( \psi\). Он равен сумме потоков, проходящих через всю поверхность. И в простом случае, где рассматриваются одинаковые потоки, проходящие через одинаковые витки катушки, и в случаях, когда поверхность имеет очень сложную форму, эта пропорциональность сохраняется.
Скорость изменения магнитного потока через контур
Закон электромагнитной индукции Фарадея в интегральном виде выглядит следующим образом:
\(\;\underset С{\oint\;}\;(\overrightarrow{Е\;}\times\;d\overrightarrow l) = – \frac{1}{c}\frac{d}{dt}\int \underset S{\int\;}\;(\overrightarrow{B} \times d\overrightarrow{S}).\)
Интеграл в левой части уравнения — циркуляция вектора \(\overrightarrow{Е\;}\) по замкнутому контуру С, это отражает знак интеграла, записанный с кругом. В правой части — скорость изменения потока Ф, который вычисляется как интеграл по поверхности S, «натянутой» на С.
Интеграл — целое, определяемое как сумма его бесконечно малых частей.
Если считать изменение потока в замкнутом контуре равномерным, то закон Фарадея примет следующий вид:
\(\epsilon_{i} = – \frac{\triangleФ}{\triangle t}.\)
ЭДС с точки зрения гидравлики
Думаю, вам уже знакома водонапорная башня из прошлой статьи про напряжение
Допустим, что башня полностью заполнена водой. Снизу башни мы просверлили отверстие и врезали туда трубу, по которой вода бежит к вам домой.
Сосед захотел полить огурцы, вы решили помыть автомобиль, мать затеяла стирку и вуаля! Поток воды стал меньше и меньше, и вскоре совсем иссяк… Что случилось? Закончилась вода в башне…
Время, которое потребуется, чтобы опустошить башню, зависит от емкости самой башни, а также от того, сколько потребителей будут пользоваться водой.
Все то же самое можно сказать и про радиоэлемент конденсатор:
Допустим мы его зарядили от батарейки 1,5 вольта и он принял заряд. Нарисуем заряженный конденсатор вот так:
Но как только мы цепляем к нему нагрузку (пусть нагрузкой будет светодиод) с помощью замыкания ключа S, в первые доли секунд светодиод будет светиться ярко, а потом тихонько угасать… и пока полностью не потухнет. Время угасания светодиода будет зависеть от емкости конденсатора, а также от того, какую нагрузку мы цепляем к заряженному конденсатору.
Как я уже сказал, это равносильно простой наполненной башне и потребителям, которые пользуются водой.
Но почему тогда в наших башнях вода никогда не заканчивается? Да потому что работает насос подачи воды! А откуда этот насос берет воду? Из скважины, которая пробурена для добычи подземных вод. Иногда ее еще называют артезианской.
Как только башня полностью наполнится водой, насос выключается. В наших водобашнях насос всегда поддерживает максимальный уровень воды.
Итак, давайте вспомним, что такое напряжение? По аналогии с гидравликой — это уровень воды в водобашне. Полная башня — это максимальный уровень воды, значит максимальное напряжение. Нет в башне воды — напряжение ноль.
Природа ЭДС, какими причинами порождается
Определение
Термопара — проволоки из разнородных металлов, соединенные концами.
Изучая термопары, немецкий физик Томас Иоганн Зеебек обнаружил в 1821 году следующую закономерность: когда точки соединения имеют разную температуру, в цепи возникает электродвижущая сила. Это явление назвали термоэлектрическим эффектом Зеебека. Величина такой электродвижущей силы зависит от температуры и неодинакова для разных пар металлов. Наиболее точных измерений Ом добился в 1826 году, использовав термопару из меди и висмута.
Внутри источника ЭДС электрический ток течет не от «плюса» к «минусу», а в противоположном направлении. Чтобы заставить ток двигаться в направлении, противоположном электростатической силе, которая воздействует на положительные заряды, необходимо приложить стороннюю силу: силу Лоренца, силу электрохимической природы, центробежную силу и т. п. Диссипативные силы не могут двигать электрические заряды против направления электростатической силы, поэтому к сторонним силам в данном случае не относятся.
Магнитный поток
Магнитный поток – это скалярная величина, которая характеризует влияние магнитной индукции на данный металлический контур.
Магнитная индукция определяется количеством силовых линий, пересекающих 1 см2 металлического сечения.
Магнитометры, используемые для его измерения, называются теслометрами.
После прекращения движения электронов в катушке сердечник, если он сделан из мягкого железа, теряет свои магнитные свойства. Если он изготовлен из стали, он может некоторое время сохранять свои магнитные свойства.
Взаимодействие магнитов
Постоянный магнит (или магнитная стрелка) ориентирован по магнитному меридиану Земли. Конец, указывающий на север, называется северным полюсом (N), а противоположный конец – южным полюсом (S). Поднося два магнита ближе, мы замечаем, что одноименные полюса отталкиваются друг от друга, а противоположные – притягиваются (рис. 1).
Если мы разделим полюса, разрезав постоянный магнит на две части, мы обнаружим, что каждая из них также будет иметь по два полюса, то есть это будет постоянный магнит (рис. 2). Оба полюса – север и юг – неотделимы друг от друга, равны.
Магнитное поле, создаваемое Землей или постоянными магнитами, представлено, как электрическое поле, магнитными силовыми линиями. Изображение силовых линий магнитного поля магнита можно получить, положив поверх него лист бумаги, на который ровным слоем насыпают железные опилки. Попадая в магнитное поле, опилки намагничиваются: у каждого из них есть северный и южный полюс. Противоположные полюса имеют тенденцию сближаться, но этому препятствует трение опилок о бумагу. Если вы коснетесь бумаги пальцем, трение уменьшится, и опилки будут притягиваться друг к другу, образуя цепочки, которые представляют собой силовые линии магнитного поля.
На рис. 3 показано положение в поле прямого магнита из опилок и маленькие магнитные стрелки, указывающие направление силовых линий магнитного поля. Это направление принимается за направление северного полюса магнитной стрелки.
Основные формулы раздела «Электромагнитная индукция»
Для упрощения расчетов ниже приведены алгоритмы тематических вычислений:
- закон магнитной индукции – E = – (ΔФ/Δt);
- магнитный поток – Ф = В * S * cos α;
- закон ЭДС для движущегося проводника – Ev = В * D * v * sin α;
- электродвижущая сила самоиндукции катушки – Ec = -L*(ΔI/Δt);
- магнитный поток (индуктивность) – Ф = L*I (L= Ф/I);
- энергия, которую в соответствии с законом индукции накапливает катушка, – W = (L * I2)/2.
Как использовать приведенные формулы на практике, рассказано выше. В расчетах следует учитывать определенное значение электрических параметров, скорость перемещения и геометрию проводника.
Чему равно ЭДС индукции?
Для определения величины возникающей ЭДС рассмотрим контур помещенный в однородное магнитное поле с индукцией В, по данному контуру свободно может перемещаться проводник длиной l.
Возникновение ЭДС индукции в прямолинейном проводнике.
Под действием силы F проводник начинает двигаться со скоростью v. За некоторое время ∆t проводник пройдёт путь db. Таким образом, затрачиваемая работа на перемещение проводника составит
Так как проводник состоит из заряженных частиц – электронов и протонов, то они также движутся вместе с проводником. Как известно на движущуюся заряженную частицу действует сила Лоренца, которая перпендикулярна к направлению движения частицы и к вектору магнитной индукции В, то есть электроны начинают двигаться вдоль проводника приводя к возникновению электрического тока в нём.
Однако на проводник с током в магнитном поле действует некоторая сила Fт, которая в соответствии с правилом левой руки будет противоположна действию силы F, за счёт которой проводник движется. Так как проводник движется равномерно, то есть с постоянной скоростью, то силы Fт и F равны по абсолютному значению
где В – индукция магнитного поля,
I – сила тока в проводника, возникающая по действием ЭДС индукции,
l – длина проводника.
Так как путь db пройденный проводником зависит от скорости v и времени t, то работа, затрачиваемая на перемещения проводника, в магнитном поле составит
При перемещении проводника в магнитном поле практически вся затрачиваемая на эту работу механическая энергия переходит в электрическую энергию, то есть
Таким образом, преобразовав последнее выражение, получим значение ЭДС индукции при движении прямолинейного проводника в магнитном поле
где В – индукция магнитного поля,
l – длина проводника,
v – скорость перемещения проводника.
Данное выражение соответствует движению проводника перпендикулярно линиям магнитной индукции. Если происходит движение под некоторым углом к линиям магнитной индукции, то выражение приобретает вид
На практике достаточно трудно посчитать скорость перемещения проводника, поэтому преобразуем выражение к следующему виду
где dS – площадка, которую пересекает проводник при своём движении,
dΦ – магнитный поток пронизывающий площадку dS.
Таким образом, ЭДС индукции равна скорости изменения магнитного потока, который пронизывает контур.
Для обозначения направления движения тока в контуре вводят знак «–», который указывает, что ток в контуре направлен против положительного обхода контура. Таким образом
Зачастую в магнитном поле движется контур, состоящий из множества витков провода, поэтому ЭДС индукции будет иметь вид
где w – количество витков в контуре,
dΨ = wdΦ – элементарное потокосцепление.
Перефразируя предыдущее определение, ЭДС индукции в контуре равна скорости изменения потокосцепления этого контура.
Колебательный контур
Емкость и индуктивный элемент, соединенные в цепь, образуют колебательный контур с резко выраженными частотными свойствами и будут являться резонансной системой. В качестве системы используется конденсатор, изменяя емкость которого, можно производить коррекцию частотных свойств.
Последовательный и параллельный колебательные контуры
Если измерить резонансную частоту, используя известный конденсатор, то можно определить индуктивность катушки.
Индуктивность – важнейший элемент в разных областях электротехники. Для правильного применения нужно знать все параметры используемых элементов.
Устройство, которое позволяет определить параметры катушек индуктивности, в том числе добротность, может называться L-метр или Q-метр.
Q-метр для измерения добротности
